在諸多科幻小說和電影中，黑洞都是一個超級神奇的存在，它是實現(xiàn)時空旅行的“基礎(chǔ)設(shè)施”，也是有著吞噬一切物質(zhì)力量的神秘天體。在現(xiàn)實中，雖然人類尚未利用黑洞實現(xiàn)“時間旅行”，但也在一步步通過科學觀測和研究，揭開黑洞神秘的面紗。
北京時間5月12日晚，包括中國在內(nèi)的全球多地天文學家，同步公布了銀河系中心超大質(zhì)量黑洞——人馬座A*（Sgr A*）的照片。這是人類“看見”的第二個黑洞，也是銀河系中心超大質(zhì)量黑洞真實存在的首個直接視覺證據(jù)。這個黑洞距離太陽系約2.7萬光年，質(zhì)量超過太陽質(zhì)量的400萬倍。它是目前人類所知距離地球最近的一個超大質(zhì)量黑洞。
什么是黑洞？黑洞里有什么？黑洞是怎么產(chǎn)生的？走在地球上，我們會迎面撞上一個黑洞嗎？人類既然已經(jīng)能給黑洞拍照，那么離利用黑洞進行“時間旅行”還遠嗎？帶著這些問題，《環(huán)球》雜志記者近日與清華大學天文系副教授、美國亞利桑那大學天體物理學博士蔡崢進行對談，一起在黑洞里“腦洞大開”。
黑洞是“空”的？
《環(huán)球》雜志：什么是黑洞？
蔡崢：黑洞是宇宙的一個起點，它的引力足夠大，以至于光都跑不出去。黑洞有大有小，如果我們把太陽壓縮成地球這么大，太陽就會成為一個黑洞；如果我們把地球壓縮成一個小拇指蓋大的小球，地球也會變成黑洞。在黑洞中會發(fā)生極端時空扭曲。
《環(huán)球》雜志：黑洞到底是由什么物質(zhì)組成的？
蔡崢：所謂黑洞就是質(zhì)量壓縮到不能再壓縮、密度極大的一種東西。但它里邊到底是什么我們不得而知，因為任何已知的物質(zhì)都無法承受黑洞引力造成的壓強。換一種說法，也許黑洞只可被稱作“空”，因為任何物質(zhì)或者說“實在”都承受不住黑洞引力。有趣的是，宇宙從某種意義上來說也是一種“空”。因為，絕大多數(shù)的物質(zhì)內(nèi)部空間都是“空”的。比如你可能覺得原子很實在，但如果用電子去轟擊原子，很多電子會直接穿過原子，而不受任何影響，因為原子內(nèi)部大部分空間是空的。
有科學家甚至懷疑，我們的宇宙會不會就處在一個超大黑洞的內(nèi)部，因為光也無法逃逸出我們的宇宙。所以黑洞到底由什么組成，是一個科學至今都無法回答的、非常深刻的問題。
起點還是終點？
《環(huán)球》雜志：為什么說宇宙的起點是黑洞？宇宙起點不是大爆炸嗎？
蔡崢：大爆炸是宇宙的起點，黑洞也是。我們現(xiàn)在通過確定的觀測得知黑洞在宇宙大爆炸初期就已經(jīng)形成。由于黑洞中心的密度大到無限，它成為了一種奇點，“奇”是奇異的奇，即無法用我們已知的物理學去描述的存在。因為研究黑洞的體積，需要用到量子力學，但如果研究黑洞質(zhì)量又屬于廣義相對論的范疇。量子力學與廣義相對論先天就是矛盾的，但在黑洞和宇宙大爆炸早期，這兩種理論又必須統(tǒng)一，只是這種統(tǒng)一的理論我們現(xiàn)在還不知道。黑洞與宇宙大爆炸的起點確實有很多相似之處。
《環(huán)球》雜志：黑洞的存在對于周邊天體有什么意義，它是不可或缺的存在嗎？
蔡崢：萬事萬物，大到星系的形成，小到生命的誕生，都跟星系中心的超大黑洞有很大關(guān)系。實際上，黑洞是一個星系生長的發(fā)動機，由于它巨大的吸積作用，巨量的引力能被轉(zhuǎn)化為光能。這些能量則把一些在黑洞周圍吸積盤（是一種由彌散物質(zhì)組成的、圍繞中心體轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)，它是包圍黑洞或中子星的氣體盤）上，且尚未掉到黑洞里的重元素推到星系的各個角落。黑洞不斷把周邊天體吸進來，其吸積盤通過高密度旋轉(zhuǎn)、核反應(yīng)等，不停制造重元素，一些重元素又被巨大的光壓推到整個星系。這些重元素最終冷卻了整個星系的溫度，讓恒星、行星得以形成。所以對部分物質(zhì)來說，黑洞是個終結(jié)者，但對另一部分物質(zhì)來說，黑洞也是一個發(fā)動機。
《環(huán)球》雜志：什么是重元素？它對天體很重要嗎？
蔡崢：比氫、氦、鋰等輕元素重的元素在天文學中都叫做重元素。氫、氦和少量的鋰是在宇宙大爆炸時產(chǎn)生的，比鋰重的元素跟大爆炸之外的一些天體物理過程緊密相關(guān)。比如銀河系有了重元素，整個星系里的氣體冷卻才能加速，進而形成太陽等恒星，以及原初行星盤，并孵化出地球。所以說黑洞是星系形成的發(fā)動機，它讓星系形成變得更快、更有效率。只要黑洞存在，這個過程就一直持續(xù)。
《環(huán)球》雜志：黑洞自身會發(fā)生什么變化？比如銀河系黑洞會不會越來越大，最后把整個銀河系都吞噬進去？
蔡崢：如果銀河系一直這么演化下去，黑洞是不會把所有物質(zhì)都吸進去的。因為銀河系是有角動量的，比如說太陽圍著黑洞轉(zhuǎn)，只要一直保持這個速度，它就不會被就吸進去。但一旦與別的星系發(fā)生碰撞，角動量發(fā)生損失，銀河系就會全部掉進黑洞。當然，外部星系碰撞是極小概率事件，可能幾十億年才發(fā)生一次。
黑洞是黑的，如何成像？
《環(huán)球》雜志：這次的銀河系中心黑洞照片，與人類“拍到”的第一張黑洞“照片”——室女座巨橢圓星系M87中心黑洞，都是由“事件視界望遠鏡”（EHT）合作組織于2017年拍攝的，兩次黑洞照片有何不同？為什么銀河系中心黑洞距離地球更近，照片卻比遙遠的M87中心黑洞“沖洗”出來晚了3年？
蔡崢：人類首次拍到的M87黑洞是銀河系外的一個質(zhì)量很大的黑洞，其質(zhì)量是太陽的65億倍。這次的人馬座A*黑洞是銀河系內(nèi)的黑洞，離我們更近，質(zhì)量相對較小，超過太陽質(zhì)量的400萬倍，兩個黑洞旋轉(zhuǎn)的速度也不一樣。
銀河系人馬座A*黑洞照片出來較晚，是因為其“沖洗”難度遠高于M87。銀河系的黑洞雖然小，但是很活躍，光變比較強烈，而M87的光變很穩(wěn)定。拍銀河系黑洞照片需要的空間分辨率，相當于在北京拍攝位于上海的一根頭發(fā)絲。
《環(huán)球》雜志：什么樣的設(shè)備才能拍攝出黑洞照片？
蔡崢：EHT調(diào)動全球8臺射電望遠鏡進行拍攝，無限逼近一臺鏡片直徑相當于地球直徑的巨型望遠鏡所拍攝到的結(jié)果。這8臺射電望遠鏡主要分布在西半球，包括位于智利、夏威夷、墨西哥等地的多臺望遠鏡組成的超大射電陣，集中了人類最先進的毫米波望遠鏡。
其實拍攝一般只需要4到5天，難的是數(shù)據(jù)處理，需要很多年。這些望遠鏡總共拍出的數(shù)據(jù)量大概有10PB（拍字節(jié)）。10PB有多大？假如一部2GB的高清電影需要2小時看完，那么要看完10PB的高清電影，則需要24小時不間斷地觀看近1200年。多虧有計算機輔助加快了數(shù)據(jù)處理速度，但依然動用了200多人努力分析四五年，才完成它。
《環(huán)球》雜志：黑洞是黑的，那么拍攝黑洞的毫米波射電望遠鏡，是如何捕獲到黑洞照片的？
蔡崢：射電望遠鏡捕獲到的其實是從黑洞吸積盤上逃逸出來的光子。我們并不是給黑洞成像，而是給快掉進黑洞的那些物質(zhì)成像。就好比，我們拍攝一個山洞，照片里能看到的其實是山洞外部的山體，并非山洞本身。
普通望遠鏡接收的是可見光，毫米波射電望遠鏡接收的是天體發(fā)出的毫米波。毫米波的優(yōu)勢是波長更長，傳播距離更遠，抗干擾能力強。比如遇到沙塵暴，可見光、紅外光都難以穿透，但毫米波可以穿過。銀河系就包裹在一團巨大的塵埃里邊，只有毫米波才能穿過。不過用毫米波拍照和紅外成像有點像，最終的照片是沒有顏色的，因為顏色是可見光的范疇。人們只能根據(jù)波長的不同給毫米波照片后期上色。
其實人體也在發(fā)射毫米波，只不過很弱。如果我們有一個毫米波相機，也可以拍出人類發(fā)出的毫米波。美國一些機場安檢用的就是毫米波設(shè)備，傳統(tǒng)X射線安檢是用光子穿透你的身體，對人有傷害，而毫米波穿透人的能量更低，對人基本無害。
《環(huán)球》雜志：通過黑洞照片，我們能夠得到哪些信息？
蔡崢：將這些實際觀測數(shù)據(jù)與計算機數(shù)值模擬進行對比，我們可以再次證明愛因斯坦的廣義相對論是對的。另外它也加深了人類對于黑洞本身的認識，比如黑洞的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)速度等。
“時間旅行”會實現(xiàn)嗎？
《環(huán)球》雜志：美國導(dǎo)演克里斯托弗·諾蘭在電影《星際穿越》里實現(xiàn)了黑洞的諸多假說，為全球觀眾建構(gòu)了令人驚艷的卡岡圖雅黑洞外部和內(nèi)部的影像。但感覺與這次拍到的黑洞不一樣？
蔡崢：《星際穿越》用計算機模擬出的超高清卡岡圖雅黑洞，并不是真實存在的，它的質(zhì)量達到了太陽的1億倍。在電影里，我們相當于乘著宇宙飛船在超近距離觀看黑洞，它好像兩個扣在一起的草帽，巨大的“帽檐”就是黑洞的吸積盤。
《環(huán)球》雜志：在黑洞里，時間和空間尺度和現(xiàn)實中有什么不一樣？
蔡崢：有很大不一樣，在黑洞里時空概念是反的，即你在黑洞空間里行走，實際是在穿越時間，可以回到過去，也可以走到未來。比如，在黑洞里你有可能看到爺爺出生時的樣子。再比如，現(xiàn)實中我們給中國拍一張全景照片，照相機里是同一時刻中國不同地域的樣子，但如果在黑洞里也用這么大視場拍下照片，拍到的則是中國在不同歷史時期的樣子。
因此，如果人類掉進一個黑洞，看到的可能和《星際穿越》主角庫珀看到的差不多。他在黑洞里走到不同“屋子”，看見女兒不同時期的樣子?！缎请H穿越》的科學顧問是知名黑洞專家、諾貝爾物理學獎得主基普·索恩，所以電影對黑洞的呈現(xiàn)基本代表了人類對于黑洞認知的最前沿。
《環(huán)球》雜志：那么我們真的可以利用黑洞實現(xiàn)“時間旅行”嗎？
蔡崢：利用黑洞進行“時間旅行”在數(shù)學理論上看是可行的，但沒有被實際驗證。理論上，只要有一個黑洞和白洞（一個只發(fā)射、不吸收的特殊宇宙天體，與黑洞正好相反）組成一個“蟲洞”就可以了。從黑洞進去，白洞出來即可實現(xiàn)“時間旅行”?！跋x洞”就像多啦A夢的抽屜，是進行“時間旅行”的隧道。
《環(huán)球》雜志：《給忙碌者的天體物理》中有很有意思的細節(jié)，一個人在地球上走路的時候不太可能迎面遇到一個黑洞，為什么不可能？
蔡崢：其實在路上偶遇一種特別小的黑洞是有可能的，只是按照霍金的理論，特別小的黑洞蒸發(fā)很快，黑洞越小壽命越短。如果一個人在路上真的遇到黑洞，一種可能是他會被吸進去，但也有可能在他被吸進去之前，黑洞就已經(jīng)蒸發(fā)了。黑洞并不一定在星系空間形成，在地球上也有可能形成，但概率極小。
一些科學家反對在中國建造大型對撞機的理由之一，就是聲稱粒子在大型加速器中碰撞有可能制造出微小黑洞。在高能對撞機中，兩個質(zhì)子碰撞很可能造成局部極端的高密度，如果真碰撞出黑洞，目前沒人知道會發(fā)生什么。
《環(huán)球》雜志：如果我們掉進黑洞會發(fā)生什么？
蔡崢：當一個人往黑洞里掉，觀測者會看到這個人運動得越來越慢，最終永恒地定格在黑洞的視界面上，觀測者不會越過視界面看到這個人掉入黑洞的過程，因為光無法再從黑洞中逃逸。
如果黑洞不太大，那么巨大的潮汐力，會把人拉成面條狀（“意大利面化”）。但如果是掉入像《星際穿越》里那樣超級巨大的黑洞，引力場會比較均勻，也許不會有這么大的潮汐力。
假如人類掉到黑洞里還能活著的話，說不定真能看到《星際穿越》里的場景，我也很好奇。（完）（文章來源：《環(huán)球》雜志）
作者/彭茜
責任編輯：劉正然
